WO2007013453A1

WO2007013453A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2007013453A1
Application number: PCT/JP2006/314672
Authority: WO
Inventors: Masahiko Hasegawa
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2007-02-01
Also published as: CN101233645A; DE112006001934B4; US8158298B2; US20090226783A1; CN101233645B; DE112006001934T5; JPWO2007013453A1; JP4807357B2

Abstract

　簡素な構成により燃料電池内からの水分排出量を増加させる。　アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２にアノードガスを供給するガス循環系において、燃料電池１２の下流に設けられた排気弁２８と、ガス循環系において燃料電池１２の上流に設けられ、ガス循環系内のガス圧力を昇圧するレギュレータ４６と、レギュレータ４６によりガス圧力を通常時よりも昇圧した状態で排気弁２８を開くＥＣＵ４０と、を備える。これにより、燃料電池１２内のガス流量、流速を増加することができ、燃料電池１２内に溜まった水分の排出量を増加させることが可能となる。

Description

明細書

燃料電池システム

技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池システムに関する。

背景技術

[0002] 従来から、燃料電池へアノードガス (水素ガス）を供給するシステムにおヽて、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを再度アノードへ供給するアノード循環系が用いられている。このようなシステムにおいて、日本特開 2003— 317766号公報には、燃料電池内で水詰まりが発生した場合に、パージ弁を開くことで水詰まりを解消する技術が開示されている。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかしながら、日本特開 2003— 317766号公報に開示された技術では、燃料電池内の水詰まりを解消するために、ェジェクタ等の部品、および配管等を新たにシステムに追加する必要がある。このため、システムの製造コストが増大するという問題がある。

[0004] この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、簡素な構成により燃料電池内力もの水分排出量を増カロさせることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0005] 第 1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、

アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、力ソードに酸素を含む力ソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、

前記燃料電池に前記アノードガスを供給'排出するアノード系流路において、前記燃料電池の下流に設けられた排出弁と、

前記アノード系流路内のガス圧力を昇圧する昇圧手段と、

前記排出弁を開いている期間の少なくとも一時期に、前記ガス圧力が通常時よりも昇圧するように前記排出弁と前記昇圧手段とを操作する制御手段と、を備えることを特徴とする。

[0006] 第 2の発明は、第 1の発明において、

前記制御手段は、前記昇圧手段により前記ガス圧力を昇圧した状態で、前記排出弁を開くことを特徴とする。

[0007] 第 3の発明は、第 1の発明において、

前記制御手段は、前記排出弁を開いた時点から前記昇圧手段による昇圧を開始することを特徴とする。

[0008] 第 4の発明は、第 1乃至 3の発明の何れか 1つにおいて、

前記制御手段は、前記排出弁を開いている最中に、前記昇圧手段による昇圧の目標値を徐々に低下させることを特徴とする。

[0009] 第 5の発明は、第 1乃至 4の発明の何れか 1つにおいて、

前記アノード系流路は、

アノードガス供給源カゝら前記アノードにアノードガスを導入するアノードガス流路と、前記アノードからアノードオフガスを排出するアノードオフガス流路と、を含み、前記昇圧手段は、

前記アノードガス流路内のアノードガスの一次圧を目標圧の二次圧に調圧するレギユレータを備え、

前記レギユレ一タの開度を通常時よりも一時的に大きくすることを特徴とする。

[0010] 第 6の発明は、第 5の発明において、

前記アノードガス流路のガス圧力を検出する圧力センサを更に備え、

前記昇圧手段は、前記アノードガス流路のガス圧力が昇圧の目標値となるように前記レギユレ一タの開度を調整することを特徴とする。

[0011] 第 7の発明は、第 5又は 6の発明において、

前記アノード系流路はガス循環系であり、

前記アノードオフガス流路カゝら前記アノードガス流路にアノードオフガスを導入する循環装置を更に備えることを特徴とする。

[0012] 第 8の発明は、第 7の発明において、

前記ガス循環系内のガス力水分を捕集する気液分離器を更に備え、前記排出弁は、前記気液分離器に接続され、前記気液分離器に捕集された水分を排出する機能及び前記ガス循環系内のガスを排気する機能を共に有することを特徴とする。

[0013] 第 9の発明は、第 7または 8の発明において、

前記レギユレータは、

前記アノードガス流路の前記アノードオフガス導入部上流に配置されることを特徴とする。

[0014] 第 10の発明は、燃料電池システムであって、

前記アノード系流路内のガス圧力を昇圧する昇圧装置と、

前記排出弁を開いている期間の少なくとも一時期に、前記ガス圧力が通常時よりも昇圧するように前記排出弁と前記昇圧装置とを操作する制御装置と、

を備えることを特徴とする。

[0015] 第 11の発明は、第 10の発明において、

前記制御装置は、前記昇圧装置により前記ガス圧力を昇圧した状態で、前記排出弁を開くことを特徴とする。

[0016] 第 12の発明は、第 10の発明において、

前記制御装置は、前記排出弁を開いた時点から前記昇圧装置による昇圧を開始することを特徴とする。

[0017] 第 13の発明は、第 10乃至 12の発明の何れか 1つにおいて、

前記アノード系流路は、

アノードガス供給源カゝら前記アノードにアノードガスを導入するアノードガス流路と、前記アノードからアノードオフガスを排出するアノードオフガス流路と、を含み、前記昇圧装置は、

前記アノードガス流路の一次圧を目標圧の二次圧に調圧するレギユレータを備え、前記レギユレ一タの開度を通常時よりも一時的に大きくすることを特徴とする。

発明の効果

[0018] 本発明によれば、昇圧手段によりガス流路内のガス圧力を通常時よりも昇圧した状態で、或いは昇圧の開始と同時に排出弁を開くため、燃料電池内のガス流量、流速を増加することができ、燃料電池内に溜まった水分の排出量を増加させることが可能となる。従って、燃料電池内に水分が滞留することを抑止できる。これにより、水分の滞留に起因して燃料電池の発電効率が低下してしまうことを抑止することができる。また、アノードガスを水素タンク力供給するシステムでは、昇圧手段として水素ボンべの下流に設けられる可変レギユレータを利用することができるため、システムに新たに部品を追加することなぐ燃料電池内の水分を排出することができる。

[0019] また、特に第 3の発明によれば、排出弁を開いた時点力も昇圧手段による昇圧を開始するため、燃料電池の上流側では昇圧手段によりガス圧力が増加し、燃料電池の下流側では排出弁を開くことによりガス圧力が低下するため、燃料電池の入口と出口における圧力差を大きくすることができる。従って、燃料電池内の水分の排出量を増カロさせることが可會となる。

[0020] また、特に第 4の発明によれば、排出弁を開いている最中に、昇圧手段による昇圧の目標値を徐々に低下させるため、ガス流路に急激な圧力変化が生じることを抑止できる。従って、昇圧による燃料電池への負担を軽減することができ、燃料電池の信頼性、耐久性を向上することが可能となる。

[0021] また、特に第 8の発明によれば、気液分離器に設けた排出弁によってガス循環系からの排水及びガス循環系からの排気の双方を行うことができる。従って、システムを構成する部品点数を削減することができ、製造コストを大幅に低減することができる。図面の簡単な説明

[0022] [図 1]本発明の実施の形態 1にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。

[図 2]排気弁の開弁タイミングと、入口圧力 Pl、出口圧力 P2との関係を示すタイミングチャートである。

[図 3]目標入口圧力を図 2とは異なる方法で設定した例を示すタイミングチャートである。 [図 4]本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。

[図 5]排気排水弁の開弁タイミングと、圧力センサで検出された圧力値との関係を示すタイミングチャートである。

符号の説明

[0023] 10 燃料電池システム

12 燃料電池

14 アノードガス流路

24 アノードオフガス流路

26 気液分離器

28 排気弁

40 ECU

46 レギユレータ

48 排気排水弁

発明を実施するための最良の形態

[0024] 以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

[0025] 実施の形態 1.

図 1は、本発明の実施の形態 1にかかる燃料電池システム 10の構成を示す模式図である。図 1に示すように、燃料電池 (FC) 12には、アノードガス流路 14及び力ソードガス流路 16が接続されている。アノードガス流路 14は高圧の水素ガスが充填された水素タンク 18と接続されており、水素タンク 18からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、力ソードガス流路 16にはポンプ 20が設けられており、ポンプ 20 の駆動により力ソードへ酸素を含む酸ィ匕ガスとしての力ソードガスが送られる。

[0026] アノード力も排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路 24に送られる。ァノードガス流路 24には、ポンプ 22が設けられており、アノード力も排出されたアノードオフガスは、ポンプ 22の駆動により再びアノードガス流路 14へ戻される。これにより、アノード系流路に循環系が形成される。アノードガス流路 14に戻されたアノードオフガスは、水素タンク 18から供給される水素と共に再度アノードへ送られる。これにより、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を燃料電池 12内で反応させることができ、水素の利用効率を高めることができる。

[0027] アノードオフガス流路 24には、アノードオフガス中の水分を捕集する気液分離器 2 6が設けられている。気液分離器 26には排水弁 38が接続されている。気液分離器 2 6に捕集されたアノードオフガス中の水分は、排水弁 38を開くことで排出される。

[0028] 気液分離器 26の下流において、アノードオフガス流路 24には排気弁 28が接続されている。アノードオフガス流路 24→アノードガス流路 14→燃料電池 12の経路からなるアノード循環系に窒素 (N2)等の不純物成分が多く含まれる場合は、排気弁 28 を間欠的に開くことでパージを行い、これらの成分を流路 36に排出する。

[0029] 具体的には、アノード循環系の不純物濃度を検出または推定し、不純物濃度が所定値以上となった場合は、排気弁 28を間欠的に開き、アノードオフガスとともにこれらの不純物を排出する。このように、排気弁 28を間欠的に開くことで、アノードオフガス中の未反応の水素の排出を最小限に抑えることができる。

[0030] また、燃料電池 12の出力（電圧値、電流値）は、アノード循環系に含まれる窒素等の不純物が多くなると低下するため、燃料電池 12の出力をモニタしておき、出力が所定の基準値よりも低下した場合に、排気弁 28を開、て不純物を排出するようにしても良い。

[0031] 一方、力ソード力排出された力ソードオフガスは、力ソードオフガス流路 30を通り、最終的にはマフラー 32から排出される。力ソードオフガス流路 30には、力ソード内の圧力を調整する制御弁 31が設けられている。力ソードオフガス流路 30において、マフラー 32の上流には希釈器 34が設けられて、る。希釈器 34には流路 36が接続されており、窒素等の不純物とともに排気弁 28から排出されたアノードオフガス中の水素は、希釈器 34で希釈されて外部に排出される。

[0032] アノードガス流路 14には、水素タンク 18の下流にレギユレータ 46が設けられている。レギユレータ 46は、燃料電池 12の入口におけるアノードガスの圧力を要求される適正圧力に調圧するものである。レギユレータ 46は、高周波で駆動し、開弁時間が連続的に変更可能な電磁弁、ガス流路のガスが通過する開度面積を変更可能な電磁弁（可変オリフィス）、或いはダイヤフラム弁を有し、ダイヤフラムの動きを変更可能なバルブであってもよい。

[0033] また、アノードガス流路 14には、レギユレータ 46の下流に圧力センサ 42が接続されている。更に、アノードオフガス流路 24には、排気弁 28との接続部の下流に圧力センサ 44が接続されている。圧力センサ 42は燃料電池 12の入口におけるアノードガスの圧力（入口圧力 P1)を検出し、圧力センサ 44は燃料電池 12の出口におけるァノードオフガスの圧力（出口圧力 P2 (排気弁 28の 1次圧)）を検出する。

[0034] 図 1に示すように、本実施形態のシステムは ECU (Electronic Control Unit) 40を備えている。 ECU40には、システムの運転状態を把握すベぐ上述した圧力センサ 42 , 44にカ卩え、燃料電池 12の出力（電圧値、電流値)などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されている。また、 ECU40には、上述したレギユレータ 46、排水弁 38、排気弁 28などが接続されている。

[0035] 上述したように、燃料電池 12が電力を発生すると力ソードで水が生成されるが、カソードで生成された水の一部は燃料電池 12内でアノード側へ透過する。そして、ァノードに透過した水分が燃料電池 12内に滞留すると、燃料電池 12の発電効率が低下する場合がある。

[0036] このため、本実施形態では、燃料電池 12内に溜まった生成水を排出するため、所定の場合に排気弁 28を開くことでアノード循環系のガス流量、流速を高め、生成水を燃料電池 12内からアノードオフガス流路 24に排出するようにしている。

[0037] 燃料電池 12内に生成水が滞留すると、電解質膜へのアノードガスの供給に支障が生じるため、燃料電池 12の出力（電圧値、電流値)が低下する。従って、燃料電池 1 2内の水分の排出を目的として排気弁 28を開く場合においても、燃料電池 12の出力に基づいて制御を行うことができ、例えば、燃料電池 12の出力が所定値以下となつた場合は、排気弁 28を開くことで燃料電池 12内に滞留した生成水を排出することが好適である。

[0038] そして、燃料電池 12内から生成水を排出する際には、排気弁 28の開弁タイミングと同期してレギユレータ 46の開度を通常よりも一時的に大きくすることで、燃料電池 12 に送られるアノードガスの圧力を通常時よりも昇圧するようにしている。これにより、ァノードガスの流量、流速が増加し、燃料電池 12内の生成水を短時間で排出することが可能となる。従って、燃料電池 12内に滞留した水分による発電効率の低下を抑えることができ、システム効率、燃費を向上することが可能である。

[0039] アノードガスの圧力を昇圧しない場合は燃料電池 12内の水分を排出するために排気弁 28を長時間開く必要がある力本実施形態の方法によれば、アノードガスの圧力を昇圧することでアノードガスの流量、流速を増加することができるため、燃料電池 12内力生成水を排出する際の排気弁 28の開弁時間を最小限に抑えることができる。従って、アノードオフガス中の未反応の水素が流路 36から排出される量を最小限に抑えることが可能となり、システム効率、燃費の低下を抑止できる。

[0040] また、アノードガスを昇圧することなくパージを行った場合は、燃料電池 12内の水分を排出するためにより多い流量のアノードオフガスを排気する必要があり、排気流量に対応した大型の排気弁 28が必要となる。しかし、本実施形態では、アノードガスを昇圧することにより、排気の流速を高めることができるため、排気弁 28を小型化した場合であっても所望の排気流量を確保することができる。従って、アノードオフガスの昇圧を行わない場合と比べると、排気弁 28をより小型化することが可能となり、排気弁 28の搭載スペースを縮小するとともに、部品コストを低減することができる。

[0041] また、燃料電池 12内から生成水を排出する場合のみ、レギユレータ 46によりァノードガスの圧力を昇圧するため、燃料電池 12に常時高圧のアノードガスが送られることがなぐ燃料電池 12の信頼性、耐久性の低下を抑止することが可能である。

[0042] 更に、燃料電池システム 10が通常備えているレギユレータ 46を使用してアノードガスの昇圧を行うため、昇圧のために新たな部品を追加する必要がない。従って、製造コストを上昇することなく、燃料電池 12内の水分を排出するシステムを構築できる。

[0043] 図 2は、排気弁 28の開弁タイミングと、圧力センサ 42, 44で検出された入口圧力 P 1、出口圧力 P2との関係を示すタイミングチャートである。ここで、図 2 (A)は、本実施形態の方法により、排気弁 28を開くタイミングに合わせてアノードガスの圧力を昇圧した場合を示している。また、図 2 (B)は、比較のため、排気弁 28を開いた際にァノードガスの圧力を昇圧せずに、通常時の圧力を維持した場合を示している。

[0044] 図 2 (A)及び図 2 (B)では、入口圧力 Pl、出口圧力 P2を実線で示している。また、本実施形態では、入口圧力 PIの目標値（目標入口圧力）に基づいてレギユレータ 4 6の開度を調整することとしており、図 2 (A)において、目標入口圧力は入口圧力 P1 とともに破線で示されている。図 2に示すように、燃料電池 12内では圧力損失が発生するため、出口圧力 P2は入口圧力 P1に比べて低くなる。

[0045] 図 2に示すように、通常運転時は目標入口圧力が POに設定され、入口圧力 P1が圧力 POに制御される。目標入口圧力は、燃料電池 12の出力、燃料電池 12の温度など、システムの運転条件に応じて決定され、排気弁 28の開弁時以外は、一定値 P 0に調節される。より詳細には、圧力 POは燃料電池 12の運転が十分可能な範囲でより低い圧力に調整される。これにより、アノードガスの圧力による燃料電池 12の負担を抑えることができ、燃料電池 12内における水素ガスのクロスリークを抑えるとともに、燃料電池 12内の電解質膜の耐久信頼性を高めることが可能である。

[0046] 図 2に示すように、燃料電池 12内の生成水を排出するため、排気弁 28は時刻 tlで開かれ、時刻 t2で閉じられる。そして、図 2 (A)に示す本実施形態の方法では、排気弁 28を開く時刻 tlよりも以前の時刻 tOの時点で、目標入口圧力が P0よりも大きな値に昇圧される。これにより、時刻 tOの時点でレギユレータ 46の開度が一時的に通常時よりも大きく設定され、時刻 tO以降、入口圧力 Pl、出口圧力 P2はともに上昇する。そして、入口圧力 P1はやがて昇圧された目標入口圧力に到達する。

[0047] 入口圧力 P1が目標入口圧力に到達した後、時刻 tlの時点で排気弁 28が開かれる。この際、燃料電池 12の入口側では、レギユレータ 46の設定圧が通常時よりも高く設定されており、また燃料電池 12内では圧力損失が生じ、燃料電池 12内はバッファ空間であり、且つガスが通過する際には抵抗となるため、時刻 tlで排気弁 28が開かれた直後においては、昇圧された入口圧力 P1が直ちに低下することはなぐ入口圧力 P1が昇圧された状態が継続している。

[0048] 一方、燃料電池 12の出口においては、排気弁 28が開かれることでアノードオフガス流路 24が大気側に開放されるため、排気弁 28の出入口差圧が増加し、アノードォフガスの排出流量が増加する。これにより、アノードオフガス流路 24内の圧力が急激に低下する。

[0049] 従って、時刻 tlで排気弁 28を開いた直後は、入口圧力 P1の低下割合に比べて出口圧力 P2の低下割合が大きくなる。このため、入口圧力 P1と出口圧力 P2との圧力差 Δ Ρ12が大きくなり、燃料電池 12内におけるガスの流量、流速を増大することが可能となる。これにより、燃料電池 12内のアノードガスの経路に生成水が滞留している場合は、流量、流速が増大されたガス流により、生成水を瞬時にアノードオフガス流路 24へ排出することができる。これにより、燃料電池 12内における生成水の滞留に起因した発電効率の低下を確実に抑止することが可能となる。

[0050] 時刻 t2で排気弁 28を閉じると、目標入口圧力が POに設定され、レギユレータ 46の開度が通常時の状態に戻される。そして、時刻 t2以降は入口圧力 P1が圧力 POに制御される。

[0051] ここで、燃料電池システムにおいては、電解質膜によるクロスリークを低下させてガス利用効率を向上するため、または燃料電池スタック内の膜の耐久信頼性を向上するためには、燃料電池内に供給する水素ガスの圧力を可能な限り低減することが望ましい。しかしながら、ガス圧力を低下すると、アノードガス圧と外気圧との差圧が小さくなり、排出弁を開いた時に排出流量が低減する。そのため、燃料電池の入口と出口における差圧が小さくなつて、燃料電池内に水分が滞留し易くなり、燃料電池からの排水性が低下するという問題がある。従って、燃料電池の効率、耐久信頼性の向上と、排水性の向上とを同時に達成することは困難である。

[0052] このような課題を解決するために、本実施形態の方法では、燃料電池 12内の水分を排出する場合にのみアノードガスの圧力を昇圧することとしているため、通常時にはアノードガス圧力を低下した状態でシステムを運転することができる。従って、燃料電池 12からの排水性を高めるために通常時のアノードガス圧力を高めに設定しておく必要がなぐ燃料電池 12内におけるクロスリークの発生を抑えることができ、システムの効率を高めることができる。また、通常時のアノードガス圧力を低下させておくことで、燃料電池 12のアノードと力ソードとの差圧、及びアノードと外気圧との差圧を低減することができ、燃料電池 12の信頼性、耐久性を向上することが可能である。

[0053] 一方、図 2 (B)の特性では、目標入口圧力は常に一定値 POとされ、排気弁 28の開弁時に入口圧力 P1が昇圧されていないため、排気弁 28からの流速が遅いため、入口圧力 P1および出口圧力 P2は排気弁 28の開弁とともに低下し、時刻 tl以降の入口圧力 PIと出口圧力 P2の低下割合は同程度となる。従って、入口圧力 P1と出口圧力 P2との差圧 Δ Ρ12は図 2 (A)の場合に比べて小さくなる。このため、燃料電池 12 内のガス流量、流速は図 2 (A)の場合よりも低下し、燃料電池 12内に滞留した生成水を確実に排出することはできな、。

[0054] 従って、本実施形態によれば、排気弁 28を開く際に入口圧力 P1を昇圧することで、燃料電池 12内に滞留した生成水を確実に排出することが可能となり、発電効率の低下を確実に抑止できる。

[0055] 図 3は、目標入口圧力を図 2とは異なる方法で設定した例を示すタイミングチャートである。図 3 (A)では、時刻 tlまでの入口圧力 P1の昇圧は図 2 (A)と同様に行い、時刻 tlから所定時間 Tが経過した後、目標入口圧力を POよりも高い所定値まで低下させ、更に、時刻 t2の時点で目標入口圧力を POに復帰させることで、時刻 tl以降に目標入口圧力を 2段階に低下させて、る。上述したように出口圧力 P2は排気弁 28の開弁とともに低下し、燃料電池 12内のガス流量、流速は排気弁 28を開いた直後に最も大きくなるため、時刻 tlから所定時間 Tが経過した後に目標入口圧力を低下した場合であっても、所定時間 Tの間に燃料電池 12からの排水を行うことができる。また、排気弁 28の開弁により入口圧力 Pl、出口圧力 P2は時間の経過に伴って必然的に低下するため、目標入口圧力を低下させても支障はない。従って、図 3 (A)の方法によれば、排気弁 28を開いた後、目標入口圧力を短時間で低下させることにより、燃料電池 12内のガス圧力が昇圧されている時間を最小限に抑えることができ、クロスリークの発生を抑えるとともに、燃料電池 12の信頼性、耐久性を高めることが可能となる。また、 2段階で目標入口圧力を変化させるため、排気弁 28の開弁後の圧力変化が緩やかになり、燃料電池 12への急激な圧力変化を抑えることができるため、圧力変化に起因する燃料電池 12への機械的負荷の発生を抑止できる。

[0056] また、図 3 (B)は、昇圧時に目標入口圧力を所定の割合で徐々に増加させ、排気弁 28が開かれる時刻 tlの時点で入口圧力 Pl、出口圧力 P2を最大とするものである。また、時刻 tl以降は目標入口圧力を徐々に低下させ、排気弁 28が閉じられる時刻 t2の近傍で目標入口圧力を POに復帰させる。この場合、昇圧時に急激な圧力変化が生じないため、燃料電池 12への機械的負荷が低減でき、目標入口圧力のピーク値をより高く設定することができる。これにより、排気弁 18の開弁直後の初期排気流量を増加させることができ、出口圧力 P2の圧力降下をより大きくすることができる。従つて、差圧 Δ Ρ12がより大きくなり、燃料電池 12内のガス流量、流速を増大することができるため、燃料電池 12内に滞留する水分を短時間で確実に排出することができる。また、時刻 tl以降は目標入口圧力を徐々に低下させるため、排気弁 28の開弁期間における燃料電池 12内のガスの昇圧を最小限に抑えることができ、クロスリークの発生を抑えるとともに、燃料電池 12の信頼性、耐久性を高めることが可能となる。また、図 3 (A)の場合と同様に、排気弁 28の開弁後の圧力変化を緩やかにすることができるため、燃料電池 12への急激な圧力変化を抑えることができ、圧力変化に起因する燃料電池 12への機械的負荷の発生を抑止できる。

[0057] また、図 3 (C)は、排気弁 28を開く時刻 tlの時点から目標入口圧力を上昇させるものである。これにより、時刻 tl以降に入口圧力 P1が上昇し、出口圧力 P2は排気弁 2 8からの排気で低下する。従って、入口圧力 P1と出口圧力 P2の差圧 Δ Ρ12を増加することができ、燃料電池 12内のガス流量、流速を増大することができる。これにより、燃料電池 12内に滞留する生成水を確実に排出することが可能となる。

[0058] 以上説明したように実施の形態 1によれば、排気弁 28を開弁する際に、レギユレ一タ 46の開度を調整してアノードガスの圧力を昇圧するようにしたため、燃料電池 12の入口圧力 P1と出口圧力 P2との差圧 Δ Ρ12を増加することができる。従って、燃料電池 12内におけるアノードガスの流量、流速を増加することができ、燃料電池 12内に滞留している水分を確実に排出することが可能となる。これにより、燃料電池 12内の生成水の滞留に起因して発電効率が低下してしまうことを抑止できる。

[0059] ところで、上述した実施の形態 1においては、水素の利用効率を高めるためにァノードオフガスを再度アノードに循環させるガス循環系のシステムにおいて本発明を実行することとしている力使用される燃料電池システムはこれに限られない。すなわち、デットエンド型の燃料電池システムにおいて、アノードオフガス流路に設けられた排出弁を開閉することにより本発明を実行することとしてもよい。

[0060] 実施の形態 2.

次に、この発明の実施の形態 2について説明する。図 4は、実施の形態 2に係る燃料電池システム 10の構成を示す模式図である。図 4に示すように、実施の形態 2のシステムでは、気液分離器 26に排気排水弁 48が接続されている。そして、排気排水弁 48は、流路 50を介して希釈器 34と接続されている。排気排水弁 48は、アノード循環系内から水分と窒素等の不純物ガスの双方を排出する機能を有して、る。従って、図 4のシステムでは、図 1における排気弁 28は設けられていない。実施の形態 2のシステムの他の構成は実施の形態 1と同様である。

[0061] 実施の形態 2では、アノード循環系に窒素 (N2)、水 (H20)等の不純物成分が多く含まれる場合は、排気排水弁 48を間欠的に開くことで、これらの成分を流路 50へ排出する。アノード循環系の窒素、水分を排出する際には、実施の形態 1と同様に、アノード循環系の不純物濃度が所定値以上となるのを避けるため、または燃料電池 1 2の出力が所定の基準値よりも低下することを避けるために排気排水弁 48が開かれる。排気排水弁 48が開かれると、先ず気液分離器 26に捕集された水分が流路 50に排出され、その後、アノードオフガス流路 24内のアノードオフガスが流路 50に排気される。流路 50に排出されたアノードオフガスは、実施の形態 1と同様に希釈器 34で希釈され、マフラー 32へ送られる。

[0062] このように、実施の形態 2では、排気排水弁 48にアノードオフガス中の水分と不純物ガスの双方を排出する機能を持たせているため、 1つの排気排水弁 48を設けるのみで、アノードオフガスに含まれる水分と不純物ガスの双方を排出することができる。従って、システムを構成する部品点数を最小限に抑えることができ、製造コストを低減することが可能となる。

[0063] そして、実施の形態 2においても、燃料電池 12内に滞留している水分を排出する場合は、レギユレータ 46の制御によりアノード循環系内のガス圧力を昇圧した状態で、排気排水弁 48が開かれる。これにより、入口圧力 P1と出口圧力 P2との差圧 Δ Ρ12 により、燃料電池 12内に滞留して、る水分をアノードオフガス流路 24へ排出することができる。実施の形態 1と同様に、燃料電池 12内に水分が滞留している力否かの判定は、燃料電池 12の出力に基づ、て行うことができる。

[0064] 図 5は、排気排水弁 48の開弁タイミングと、圧力センサ 42, 44で検出された圧力値との関係を示すタイミングチャートである。実施の形態 1と同様に、時刻 toの時点で目標入口圧力が昇圧される。そして、入口圧力 P1が昇圧した目標入口圧力に到達した後、すなわちアノードオフガスの昇圧が完了した後、時刻 tlの時点で排気排水弁 4 8が開かれる。

[0065] 排気排水弁 48が開かれると、先ず、気液分離器 26に捕集された水分が流路 50に排出される。そして、気液分離器 26内に捕集された水分の排出が終了すると、続いてアノードオフガス力 S排気排出弁 48から流路 50に排出される。

[0066] 図 5において、時刻 t3は気液分離器 26からの水分の排出が終了した時刻を示している。このように、時刻 tl力も t3までの間は、気液分離器 26内の水分が流路 50に排出されており、アノード循環系からガスが排出されないため、入口圧力 Pl、出口圧力 P2の値は昇圧された状態力変化しない。そして、時刻 t3を過ぎると、アノードオフガスが流路 50に排出されるため、入口圧力 Pl、出口圧力 P2が変化する。すなわち、実施の形態 2では時刻 t3以降にアノードオフガスが排出されることになり、アノードオフガスが排出される時刻に着目すると、実施の形態 2の時刻 t3は実施の形態 1の時刻 tlに対応している。

[0067] 時刻 t3では、入口圧力 P1が昇圧されており、出口圧力 P2が排気排出弁 48からの排気で低下するため、実施の形態 1と同様の理由で入口圧力 P 1と出口圧力 P2との差圧 Δ Ρ12が大きくなる。従って、実施の形態 1と同様に、燃料電池 12内のガス流量、流速を高めることができ、燃料電池 12内に滞留している水分をアノードオフガス流路 24に排出することができる。これにより、生成水の滞留に起因した燃料電池 12の発電効率の低下を確実に抑止することが可能となる。

[0068] なお、時刻 t3以降は出口圧力 P2が低下するため、時刻 t3が到来した力否かの判定は出口圧力 P2に基づいて行うことができる。従って、例えば時刻 t3から所定時間が経過した後に排気排水弁 48を閉じる制御を行う場合は、出口圧力 P2に基づいて時刻 t3の到来を判定することが好適である。また、時刻 t3で流路 50へ排気が行われると、流路 50内のガス圧力が急激に上昇するため、流路 50内のガス圧力を検出するセンサを設けておき、このセンサの検出値に基づいて時刻 t3の到来を判断しても良い。

[0069] 実施の形態 2においても、実施の形態 1の図 3と同様に、目標入口圧力の制御を可変することができる。この際、上述したように実施の形態 2の時刻 t3は実施の形態 1の時刻 tlに対応するため、例えば図 3 (A)のように目標入口圧力を制御する場合は、時刻 t3力も所定時間 Tが経過した後に目標入口圧力を低下させれば良い。また、図 3 (B)の制御を行う場合は、時刻 t3で目標入口圧力がピーク値となるように制御を行い、図 3 (C)の制御を行う場合は、時刻 t3以降に目標入口圧力を増カロさせることが好適である。

[0070] 以上説明したように実施の形態 2によれば、水分と不純物ガスの双方を排出する機能を持つ排気排出弁 48を備えたシステムにおいて、排気排水弁 48を開弁する際に、レギユレータ 46の開度を調整してアノードガスの圧力を昇圧するようにしたため、燃料電池 12の入口圧力 P1と出口圧力 P2との差圧 Δ Ρ12を増加することができる。従つて、燃料電池 12内におけるアノードガスの流量、流速を増加することができ、燃料電池 12内に滞留している水分を確実に排出することが可能となる。これにより、燃料電池 12内の生成水の滞留に起因して発電効率が低下してしまうことを抑止できる。

[0071] [その他]

尚、以下の発明にお!、ても課題を解決することが可能となる。

[0072] アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、力ソードに酸素を含む力ソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、

前記燃料電池に前記アノードガスを供給するガス循環系におヽて、前記燃料電池の下流に設けられた排出弁と、

前記ガス循環系にお!、て前記燃料電池の上流に設けられ、前記ガス循環系内のガス圧力を昇圧する昇圧手段と、

前記昇圧手段により前記ガス圧力を通常時よりも昇圧して、前記排出弁を開く制御手段と、

を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

Claims

請求の範囲

[1] アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、力ソードに酸素を含む力ソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、

前記アノード系流路内のガス圧力を昇圧する昇圧手段と、

前記排出弁を開いている期間の少なくとも一時期に、前記ガス圧力が通常時よりも昇圧するように前記排出弁と前記昇圧手段とを操作する制御手段と、

を備えることを特徴とする燃料電池システム。

[2] 前記制御手段は、前記昇圧手段により前記ガス圧力を昇圧した状態で、前記排出弁を開くことを特徴とする請求項 1記載の燃料電池システム。

[3] 前記制御手段は、前記排出弁を開いた時点から前記昇圧手段による昇圧を開始することを特徴とする請求項 1記載の燃料電池システム。

[4] 前記制御手段は、前記排出弁を開いている最中に、前記昇圧手段による昇圧の目標値を徐々に低下させることを特徴とする請求項 1乃至 3の何れか 1項記載の燃料電池システム。

[5] 前記アノード系流路は、

前記レギユレ一タの開度を通常時よりも一時的に大きくすることを特徴とする請求項 1乃至 4の何れか 1項記載の燃料電池システム。

[6] 前記アノードガス流路のガス圧力を検出する圧力センサを更に備え、

前記昇圧手段は、前記アノードガス流路のガス圧力が昇圧の目標値となるように前記レギユレ一タの開度を調整することを特徴とする請求項 5記載の燃料電池システム

[7] 前記アノード系流路はガス循環系であり、

前記アノードオフガス流路カゝら前記アノードガス流路にアノードオフガスを導入する循環装置を更に備えることを特徴とする請求項 5又は 6記載の燃料電池システム。

[8] 前記ガス循環系内のガス力水分を捕集する気液分離器を更に備え、

前記排出弁は、前記気液分離器に接続され、前記気液分離器に捕集された水分を排出する機能及び前記ガス循環系内のガスを排気する機能を共に有することを特徴とする請求項 7記載の燃料電池システム。

[9] 前記レギユレータは、

前記アノードガス流路の前記アノードオフガス導入部上流に配置されることを特徴とする請求項 7又は 8記載の燃料電池システム。

[10] アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、力ソードに酸素を含む力ソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、

前記アノード系流路内のガス圧力を昇圧する昇圧装置と、

を備えることを特徴とする燃料電池システム。

[11] 前記制御装置は、前記昇圧装置により前記ガス圧力を昇圧した状態で、前記排出弁を開くことを特徴とする請求項 10記載の燃料電池システム。

[12] 前記制御装置は、前記排出弁を開いた時点から前記昇圧装置による昇圧を開始することを特徴とする請求項 10記載の燃料電池システム。

[13] 前記アノード系流路は、

前記アノードガス流路の一次圧を目標圧の二次圧に調圧するレギユレータを備え、前記レギユレ一タの開度を通常時よりも一時的に大きくすることを特徴とする請求項乃至 12の何れか 1項記載の燃料電池システム。